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晶體硅
太陽能電池的主流材料
基本信息
| 中文名 | 晶體硅 |
| 外文名 | Crystalline Silicon |
| 別名 | 單質(zhì)硅 |
| 化學(xué)式 | Si |
| 顏色 | 灰黑色 |
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簡介
性質(zhì)概括：帶有金屬光澤的灰黑色固體、硬度大、有脆性、常溫下化學(xué)性質(zhì)不活潑。
晶體硅：一個直徑75mm的硅片，可集成幾萬至幾十萬甚至幾百萬個元件，形成了微電子學(xué)，從而出現(xiàn)了微型計算機(jī)、微處理機(jī)等。由于當(dāng)前信息工程的發(fā)展，硅主要用于微電子技術(shù)。以硅晶閘管為主的電力半導(dǎo)體器件，元件越做越大，與硅晶體管相比集成電路正相反，在直徑為75mm的硅片上，只做一個能承受幾kA電流和幾kV電壓的元件，這種元件滲透到電子、電力、控制3個領(lǐng)域就形成了一門新學(xué)科——電力電子學(xué)。為適應(yīng)大規(guī)模集成電路的發(fā)展、單晶硅正向大直徑、高純度、高均勻性，無缺陷的方向發(fā)展。最大硅片直徑已達(dá)150mm，實驗室的高純硅接近理論極限純度。常用的太陽能電池是硅電池。如果在1平方米面積上鋪滿硅太陽能電池，就可以得到100W電力。單晶硅太陽能電池的性能穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率高，體積小，重量輕，很適合作太空航天器上的電源。美國的大型航天器——太空實驗室上就安裝有4塊太陽能電池帆板，它們是由147840塊8平方厘米大小的單晶硅太陽能電池排列組成的，發(fā)電功率大約為12KW。
晶體硅
用途
由于硅半導(dǎo)體耐高電壓、耐高溫、晶帶寬度大，比其它半導(dǎo)體材料有體積小、效率高、壽命長、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點，因此被廣泛用于電子工業(yè)集成電路的生產(chǎn)中。高純的單晶硅是重要的半導(dǎo)體材料。在單晶硅中摻入微量的第IIIA族元素，形成P型硅半導(dǎo)體另外廣泛應(yīng)用的二極管、三極管、晶閘管和各種集成電路（包括我們計算機(jī)內(nèi)的芯片和CPU)都是用硅做的原材料。
2，太陽能光伏電池板
多晶硅可以直接用于制造太陽能光伏電池板，或加工成單晶硅后再用于制造光伏電池板。先將硅料鑄錠、切片或直接用單晶硅棒切片，再通過在硅片上摻雜和擴(kuò)散形成PN結(jié)，然后采用絲網(wǎng)印刷法，將銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過燒結(jié)，同時制成背電極，并在有柵線的面上涂減反射膜等一系列工藝加工成太陽能電池單體片，最后按需要組裝成太陽能電池板。目前，硅光伏電池占世界光伏電池總產(chǎn)量的98% 以上，其中多晶硅電池約占55% ，單晶硅電池約占36% ，其它硅材料電池約占70%。由于多晶硅光伏電池的制造成本較低，光電轉(zhuǎn)換效率較高(接近20%)，因而得到快速發(fā)展。
3，集成電路
這是將成千上萬個分立的晶體體管、電阻、電容等元件，采用掩蔽、光刻、擴(kuò)散等工藝，把它們集成一個或幾個尺寸很小的晶片上，集結(jié)成一個以幾個完夠的電路。集成電路大大減小了體積、重量、引出線和焊點數(shù)目，并提高了電路性能和可靠性，同時降低了成本，便于批量生產(chǎn)，使計算機(jī)工業(yè)飛速發(fā)展。
4，探測器
由對光照敏感的PN結(jié)或PIN結(jié)構(gòu)成的光生伏打型的探測器。PIN結(jié)不是突變的PN結(jié)，而是在結(jié)的P和N側(cè)之間加入本征區(qū)I層。該結(jié)構(gòu)的光照表面（如P）區(qū)做得較薄，使入射光進(jìn)入本征區(qū)而被吸收，產(chǎn)生空穴-電子對。本征區(qū)的強(qiáng)電場使載流子快速飄移，通過本征區(qū)。因此，PIN結(jié)相同材料的PN結(jié)構(gòu)相比，其響應(yīng)時間更短。
5，傳感器
硅的傳感器有壓阻傳感器，它是將壓力轉(zhuǎn)化為電信號。硅片受外力作用時晶格形變，使得電阻率改變。熱敏電阻，利用硅的負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)，當(dāng)溫度升高時，載流子濃度增加，使得電阻率下降。
案例
晶體硅太陽能電池制造和原理
“硅”是我們這個星球上儲藏最豐富的材料之一。自從19世紀(jì)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了晶體硅的半導(dǎo)體特性后，它幾乎晶體硅太陽能電池
改變了一切，甚至人類的思維。20世紀(jì)末，我們的生活中處處可見“硅”的身影和作用，晶體硅太陽能電池是近15年來形成產(chǎn)業(yè)化最快的。生產(chǎn)過程大致可分為五個步驟：a、提純過程b、拉棒過程c、切片過程d、制電池過程e、封裝過程。
太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴——電子對，在p-n結(jié)電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。
性質(zhì)
化學(xué)及物理性質(zhì)
單晶硅具有準(zhǔn)金屬的物理性質(zhì)，有較弱的導(dǎo)電性，其電導(dǎo)率隨溫度的升高而增加，有顯著的半導(dǎo)電性。超純的單晶硅是本征半導(dǎo)體。在超純單晶硅中摻入微量的ⅢA族元素，如硼可提高其導(dǎo)電的程度，而形成p型硅半導(dǎo)體；如摻入微量的ⅤA族元素，如磷或砷也可提高導(dǎo)電程度，形成n型硅半導(dǎo)體。
結(jié)構(gòu)
晶體硅結(jié)構(gòu)為金剛石結(jié)構(gòu)。
硅原子構(gòu)成的一個面心立方原包內(nèi)還有四個原子，分別位于四個空間對角線的四分之一處。與鍺晶格結(jié)構(gòu)相同，但晶胞邊長a（晶格常數(shù)）不同。300k時，硅的a=5.4305A，鍺的a=5.463A。
共價四面體
硅晶體中雖然不等價原子的環(huán)境不完全相同，但任何一個原子中都有4個最近鄰的原子，與之形成共價鍵。一個原子處在正四面體的中心，其它四個與它共價的原子位于四面體的頂點，這種四面體成為共價四面體。
內(nèi)部空隙
金剛石結(jié)構(gòu)的另一個特點是內(nèi)部存在著相當(dāng)大的空隙。
制備
單晶硅
用直拉法制單晶硅的設(shè)備系用T D K - 4 0 型或T D K - 3 6 A Z型單晶爐。爐內(nèi)有爐室和拉制室，兩室中間有閘閥。一般使用電阻加熱，溫度和晶體直徑均采用自動控制，在純氬氣氣氛下進(jìn)行常壓或減壓拉晶。減壓拉晶工藝不但能改善晶體生長條件，而且有助于降低晶體中碳的含量。拉晶前將設(shè)備各部件、合金石英坩堝、多晶硅和籽晶進(jìn)行清潔處理。流程采用共熔和投入摻雜法，摻雜量由理論計算，并需經(jīng)實踐加以修正。多晶硅和籽晶裝爐后，在流通的氬氣氣氛下，人工引晶放肩和收尾。晶體的等徑生長過程中，需根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)節(jié)功率，使其獲得直徑均勻的產(chǎn)品。
硅的區(qū)熔提純采用懸浮區(qū)熔法，區(qū)熔過程對多晶硅中分凝系數(shù)小的雜質(zhì)有一定的提純作用，但對分凝系數(shù)大的雜質(zhì)如硼則不起作用。多晶硅能用化學(xué)方法提純(如三氯氫硅精餾及氫還原)得到很高的純度，因此區(qū)熔法在硅的生產(chǎn)中，一般作為制作單晶的手段，而不作為提純手段。在區(qū)熔爐爐室內(nèi)，將硅棒用上下夾頭保持垂直，有固定晶向的籽晶在下面，在真空或氬氣條件下，用高頻線圈加熱( 2 ～3MHz)，使硅棒局部熔化，依靠硅的表面張力及高頻線圈的磁力，可以保持一個穩(wěn)定的懸浮熔區(qū)，熔區(qū)緩慢上升，達(dá)到制成單晶或提純的目的。設(shè)備及原料經(jīng)清潔處理后裝爐，抽真空或充氬氣。在氬氣下高頻加熱進(jìn)行區(qū)熔提純單晶。設(shè)備為QRL-20型區(qū)熔爐、高頻發(fā)生器及FC-16型磁飽和電抗器配套作生產(chǎn)主機(jī)。預(yù)熱、引晶、放肩、等徑、收尾等過程由人工控制。
多晶硅
多晶硅呈灰色或黑色且有金屬光澤的等軸八面晶體，是制造單晶硅的原料。硅屬半金屬，是極為重要的元素半導(dǎo)體材料。多晶硅的生產(chǎn)，除個別工廠采用硅烷熱分解法外，一般都采用氫還原三氯氫硅方法。
三氯氫硅法
包括三氯氫硅的合成和三氯氫硅的還原兩部分。
(1)三氯氫硅的合成
用金屬硅和氯化氫為原料，在流態(tài)化氯化爐中進(jìn)行反應(yīng)，三氯氫硅的沸點為31.5℃，與絕大多數(shù)雜質(zhì)的氯化物揮發(fā)溫度相差較大，所以可用精餾法提純。三氯氫硅極易揮發(fā)和水解，產(chǎn)生強(qiáng)腐蝕的鹽酸氣，因此精餾設(shè)備必須防止水汽和空氣混入。小規(guī)模生產(chǎn)超純硅可采用聚四氟乙烯，特制玻璃或石英作為精餾設(shè)備材料，大規(guī)模生產(chǎn)則須采用耐腐蝕的金屬或合金材料以免銅、鐵、鎳等重金屬雜質(zhì)混入而影響超純硅的質(zhì)量。
(2)三氯氫硅的還原
在超低碳的不銹鋼或鎳基合金制成的水冷爐壁還原爐內(nèi)，用氫將三氯氫硅還原成硅。爐內(nèi)有不透明石英鐘罩(有透明石英內(nèi)層和觀察孔)和用細(xì)硅芯或鉭管制成的發(fā)熱體。細(xì)硅芯是用超純硅在特制的硅芯爐內(nèi)制成的。在進(jìn)行化學(xué)氣相沉積之前，由于硅在常溫時電阻率很高，因此硅芯須在石英罩外用電阻加熱至300℃或用幾千伏的高壓電啟動。經(jīng)過提純的氫氣(含水蒸汽量很少，露點在-70℃以下)在揮發(fā)器中將三氯氫硅自爐底帶入爐內(nèi)，于1100～1150℃進(jìn)行還原反應(yīng)，使硅沉積在發(fā)熱體上，三氯氫硅氫還原法所生產(chǎn)的多晶棒，供區(qū)域熔煉法生產(chǎn)單晶硅用的硅棒直徑為50～100mm。供直拉法生產(chǎn)單晶用的硅棒直徑為50～150mm。還原尾氣中的三氯氫硅和四氯化硅在-80℃以下冷凝回收，氫氣凈化后可以循環(huán)使用。三氯氫硅氫還原制取超純硅的方法沉積速度較慢，一般不超過0.5mm/h消耗的電能能很多，副產(chǎn)品四氯化硅量大，因此研究了很多新的綜合利用方法。根據(jù)已發(fā)表的資料，其中最有前途的方法是將四氯化硅轉(zhuǎn)化為三氯氫硅、二氯二氫硅、硅烷，然后還原或分解成為超純多晶硅。
切割回收方法
發(fā)展
1994 年全世界太陽能電池的總產(chǎn)量只有 69 MW，而 2004 年就接近 1200 MW，在短短的 10 年里就增長了 7 倍。專家預(yù)測太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在二十一世紀(jì)前半期將超過核電成為最重要的基礎(chǔ)能源之一。
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作者
